CN101194162B - 一种以适配体作为分子识别元件的碳纳米管晶体管生物传感器及其用于检测靶材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有适配体的碳纳米管晶体管生物传感器及其用于检测靶材料的方法，更具体地说涉及一种通过利用DNA适配体识别所述靶材料，也就是诸如蛋白质、肽、氨基酸和有机/无机化合物的特定分子的碳纳米管晶体管生物传感器，以及利用上述碳纳米管晶体管生物传感器筛选靶材料的方法。在本发明所述的生物传感器中，所述特异性结合于特定蛋白质的适配体吸附于构成所述碳纳米管晶体管沟道区的碳纳米管上，以便于当所述特定蛋白质暴露于相应适配体时，通过变化的碳纳米管导电率来检测/鉴定特定蛋白质。

Description

一种以适配体作为分子识别元件的碳纳米管晶体管生物传感器及其用于检测靶材料的方法
技术领域
本发明涉及一种具有适配体的碳纳米管晶体管生物传感器及其用于检测靶材料的方法，更具体地说涉及一种通过利用DNA适配体识别特定蛋白质的碳纳米管晶体管生物传感器，其中所述特异性结合于特定蛋白质的适配体被吸附于构成所述碳纳米管晶体管沟道区的碳纳米管上，以便于当所述蛋白质暴露于相应适配体时，根据所述碳纳米管导电率的变化检测/鉴定特定蛋白质，以及利用上述生物传感器筛选特定分子的方法。
背景技术
通常，碳纳米管(CNT)是地球上蕴藏丰富的碳的同素异形体。CNT为管状的材料，其中一个碳原子结合于另一个碳原子，从而形成六边形的蜂窝结构。由于CNT管的直径为几纳米(nm＝1/1000000000)，因此其也是极其微小的材料。
碳纳米管通常具有优异的机械性能、电学性能、放电电场能力和高效的储氢性能。人们将其认为是几乎没有缺陷的接近完美的材料。碳纳米管可以通过先进的合成技术而制造，例如放电法、热解法、激光介导(laser-mediated)真空蒸发法、等离子体化学蒸发法、热化学蒸发法、电解法和燃烧法。
在实际应用中，碳纳米管几乎可以应用到所有领域，包括航空、生物工程、环境能源、材料工业、药物、医药药品、电子计算机、安全等诸如此类的领域。例如碳纳米管晶体管就是碳纳米管的产品之一。
碳纳米管晶体管由源极、漏极和栅极所组成，其中其沟道区由碳纳米管制成。
构成上述碳纳米管晶体管沟道区的碳纳米管具有如下几个优点：首先，在保持半导体或金属性能的同时，其具有优异的导电性和导热性，因而具有高效的热辐射。进一步，碳纳米管为轻质的，但其具有的机械强度是钢的100倍，由于碳纳米管独特的化学性质几乎不与其他化合物发生反应，其能够使电子元件非常稳定地工作。因此，研究人员们一直专注于开发新的实用的元件，并于近几年努力向医药及生物技术领域延伸。
由于当前老龄化社会的趋势和全世界范围内人们寿命的延长，人们逐渐意识到如何实现个人健康生活的重要性。相应地，人们一直强调对于诸如癌症和其他威胁生命的重大疾病早期诊断的必要，因此一直迫切需要开发一种在认为需要的时候能够经常用于医学状况的自我诊断的医疗设备/仪器，并且要求具有成本低、用时短的优点。在此背景下非常重要的是提供一种在人体血清、尿液及类似物中检测和鉴定任何诸如蛋白质、肽、氨基酸和有机/无机化合物的特定分子的方法。
许多研究人员一直在努力开发新颖的诊断及治疗技术，并且全球性的人类基因组计划的完成所得到的丰富的生物信息正在与纳米技术相结合。特别地，人们正在利用碳纳米管和半导体纳米线的电学特性，将二者用于制造高敏感度的生物传感器。
至今，在生物传感器市场中，利用抗原抗体反应的诊断传感器已占据主流。由于抗原抗体反应在诊断疾病的准确性上具有优越的特异性，使其成为极具价值的手段，但以上方法对由蛋白质构成的抗体却存在缺陷。具体地说，由于某些抗体需要非常复杂的培养及合成条件，因此很难形成。另外，依据所制备的批次不同各个抗体的性质会略有不同，而且在将其用于商业使用时由于价格昂贵也很难得到广泛使用。
进一步，由于存在稳定性问题，利用抗原抗体反应的生物传感器在其有效分布长度方面非常受限。蛋白质的不稳定性会增加单位生产率的成本，并且也会在诊断传感器的使用过程中发生错误。
因此，这就需要开发新的具有优异的稳定性和成本效益的诊断传感器，同时具有优异的底物特异性，相当于或甚至好于抗体。
发明内容
为了解决上述问题，本发明成功地提供一种使用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中所述适配体，即对蛋白质具有高亲和力的单链DNA(或RNA)寡聚物，作为探针吸附于构成所述碳纳米管晶体管沟道区的碳纳米管表面上以检测靶材料，即特异性结合于所述适配体的特定蛋白质；以及利用所述碳纳米管晶体管生物传感器筛选靶材料的方法。
因此，在本发明一实施例中，提供一种使用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中所述适配体为特异性结合于一些分子(例如蛋白质、肽、氨基酸、有机/无机化合物)的单链DNA/RNA寡聚物，其吸附于具有长的弹性散射长度和相分散距离的一维导电碳纳米管上，以便于当所述特定蛋白质结合于相应适配体时，通过变化的碳纳米管电阻来检测/鉴定特定蛋白质的存在。
在本发明另一实施例中，提供一种利用以上碳纳米管晶体管生物传感器筛选靶材料的方法。
附图说明
通过下面结合附图的详细描述，本发明的上述及其他目的、特征和其他优点将得到更加清楚的理解。
图1是根据本发明的使用DNA适配体和碳纳米管晶体管的生物传感器的全景图；
图2是在根据本发明的使用DNA适配体和碳纳米管晶体管的生物传感器的一优选实施例中，当适配体与凝血酶反应时晶体管电流的变化图；
图3是在根据本发明的使用DNA适配体和碳纳米管晶体管的生物传感器的一优选实施例中，当适配体与凝血酶反应时晶体管电流的实时变化图；以及
图4是根据本发明与凝血酶反应后元件的AFM图。
具体实施方式
在一个优选的实施例中，本发明提供一种使用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其包括：具有源极、漏极、栅极和构成沟道区的碳纳米管的碳纳米管晶体管；作为识别元件，固定于所述碳纳米管表面上的DNA；以及将所述适配体固定在所述碳纳米管上的连接物(linker)。
优选地，由多个碳纳米管所构成的所述沟道由单壁碳纳米管或多壁碳纳米管制成。
优选地，由多个碳纳米管所构成的所述沟道可以从具有优异的晶体管特性的各种金属氧化物纳米线和半导体纳米线所构成的组中选择。
在本发明中，所述构成沟道的纳米线可以将一个适配体用作为分子识别元件，而不论其类型。
优选地，所述纳米线的直径小于50nm。更优选地，所述单壁碳纳米管可以是直径小于2nm的碳纳米管，所述多壁碳纳米管可以是直径小于50nm的碳纳米管。
优选地，用以将所述适配体固定在碳纳米管表面上的材料为至少一种选自芘和任一其他与所述碳纳米管具有高亲和力的分子。
更优选地，所述粘合材料的一疏水部分吸附于所述碳纳米管上，而所述固定材料的其他部分共价键合于所述适配体。
在其他优选的实施例中，本发明提供一种利用所述生物传感器检测靶材料的方法，其包括如下步骤：
(a)制造碳纳米管晶体管，其中将适配体固定在构成所述碳纳米管晶体管沟道区的碳纳米管上，以提供将所述适配体结合于靶材料的结构；
(b)在特异性结合于所述适配体的所述靶材料暴露于所述适配体的情况下，测量所述碳纳米管导电率的变化；以及
(c)基于导电率的变化检测/鉴定所述靶材料。
优选地，所述靶材料为从蛋白质、肽、氨基酸、核苷酸、药物、维生素、有机化合物和无机化合物及类似物所组成的组中选择的至少一种材料。
以下参照附图对本发明进行更清楚地描述。
图1是根据本发明的使用DNA适配体和碳纳米管晶体管的生物传感器的全景图。
本发明生物传感器的主要特征是通过固定DNA适配体于碳纳米管表面上来改变碳纳米管晶体管。因此，本发明的生物传感器保持了优异的灵敏度，从而能够甚至识别出单个病毒粒子、小的有机分子和单个蛋白质，甚至能够测量出相对低的特定分子浓度，进一步，可以选择性地分类特定分子。如上所述，碳纳米管晶体管10像传统晶体管一样，由源极12、漏极14和栅极16构成，但是所述晶体管的沟道区由碳纳米管18所提供。
在所述碳纳米管晶体管的基本结构中，通过使用固定材料22将DNA适配体20固定在所述碳纳米管18的表面上。
所述适配体20是能够特异性结合于特定分子(例如蛋白质、肽、氨基酸和有机/无机化合物)的单链DNA或RNA寡聚物。预期其可以替代在生物化学特性上有缺陷的抗体。所述适配体具有保持固有亲和性、特异性和选择性的优点，其能够满足用户在生物技术领域识别特定分子的需要。
优选地，将所述适配体20固定在所述碳纳米管18表面上的材料22可以是对所述碳纳米管18具有亲和力的交联剂。由于所述碳纳米管18的疏水性，所述交联剂的一疏水部分吸附于所述碳纳米管18上，而所述交联剂的其他部分则共价键合于所述适配体20。
更优选地，将所述适配体20固定在所述碳纳米管18表面上的所述材料22可以是芘，以及进一步地从对所述碳纳米管具有高亲和力的任意其他分子中选择。
优选地，由所述碳纳米管18构成的沟道区可以由单壁碳纳米管或多壁碳纳米管制成。更优选地，所述单壁碳纳米管可以是直径小于2nm的碳纳米管，并且所述多壁碳纳米管可以是直径小于50nm的碳纳米管。
如以上所阐述的，如果所述适配体20吸附于所述碳纳米管晶体管10中的碳纳米管18的表面上时，所述适配体20能够用以检测靶材料。换句话说，当靶材料被暴露结合于相应适配体20时，通过测定所述碳纳米管18导电率的变化可以鉴定所述靶材料。
优选地，与适配体20结合的所述靶材料可以从蛋白质、肽、氨基酸、核苷酸、药物、维生素、有机化合物、无机化合物及类似物所组成的组中选择。
因此，当特定蛋白质被暴露结合于所述相应适配体20时，通过测量所述碳纳米管18的电变化，能够很容易地检测/鉴定靶材料，尤其是可以鉴定特定蛋白质是否存在。
例子
在如下例子中将会对本发明实际和现有优选的实施例进行阐述。
然而应了解，本领域中的普通技术人员在理解本发明内容的基础上可以在例子中进行修改或改进。
为了识别出特定分子，特异性结合于所述分子的适配体通过连接物吸附于碳纳米管的表面上，所述碳纳米管构成碳纳米管晶体管的沟道区。在实际中，利用对碳纳米管具有高亲和力的芘将所述适配体固定在所述碳纳米管上。
具体地说，将芘的一端吸附于所述碳纳米管上，而芘的另一端与所述适配体反应以将所述适配体固定在所述碳纳米管上。
然后，凝血酶，即参与血液凝结的蛋白酶，与芘所固定的所述适配体起反应，并对其进行检验以测量反应前后的电变化。图3示出了晶体管中电流的实时测量结果。
具体地说，将源极-漏极电极的偏压预置为1V，栅极电压为变化的。图3示出了所述栅极的测量结果：蓝线代表与芘反应的数值；绿线代表适配体的数值；以及黄线代表凝血酶的数据。从结果中可以看出，在固定所述适配体后栅极电压向右移动，这是由于含有负电荷的DNA适配体的主链(backbone)导致的掺杂效应所致。
图4说明了通过以下步骤获得的实时观察图：(1)利用羰基二咪唑-吐温20(CDI-tween20)作为固定材料将所述适配体吸附在碳纳米管上；以及(2)凝血酶与所述适配体反应。图4示出了反应后元件的AFM图。
因此，可以确认，就在凝血酶对所述适配体起反应后所述碳纳米管晶体管中的导电率下降。
如以上所确认的，如果用于检测与特定疾病相关的特定蛋白质的识别元件吸附于碳纳米管表面上，那么存在于血液中的所述特定蛋白质则可以在该表面上与所述识别元件结合，从而改变所述碳纳米管的导电率。然后，计算出感应该电变化的最终电信号，以检测/鉴定所述特定蛋白质将其作为该疾病的标识。
工业应用
正如以上所说明和确认的，根据本发明的利用DNA适配体的碳纳米管晶体管生物传感器以及将其用于筛选靶材料的方法，可以获得优异的效果：即当特定蛋白质暴露于吸附在碳纳米管表面上的相应适配体时，通过碳纳米管中导电率的变化很容易地检测/鉴定出特定蛋白质是否存在，其中所述碳纳米管构成碳纳米管晶体管的沟道区。
这种使用本发明生物传感器的电测量方法能够甚至以低成本应用于构造集成系统及便携式诊断系统。此外，其优点还在于可以促进纳米生物传感器的发展。
特别地，由高灵敏度碳纳米管和选择性DNA适配体构造的生物传感器能够检测/鉴定出在血液及其类似物中诸如蛋白质、肽、氨基酸和有机/无机化合物的特定分子是否存在，从而用于疾病的早期诊断和有效治疗。
本领域的普通技术人员应该理解，为了实现与本发明相同的目的，在前面描述中公开的概念和具体实施例可以随时用作修改或设计其他实施例的基础。

Claims (9)

1.一种利用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，包括：
(a)碳纳米管晶体管，其包括源极、漏极和栅极，其中其沟道区由碳纳米管构成；
(b)用于分子识别的适配体，其固定在所述碳纳米管表面上，以及
(c)连接材料，用以将适配体固定在所述碳纳米管表面上；
其中，所述适配体为单链DNA或单链RNA。
2.根据权利要求1的一种利用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中由所述碳纳米管构成的所述沟道由单壁碳纳米管或多壁碳纳米管制成。
3.根据权利要求1的一种利用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中由所述碳纳米管构成的所述沟道为具有优良晶体管特性的各种金属氧化物纳米线或半导体纳米线。
4.根据权利要求3的一种利用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中构成所述沟道的所述纳米线将所述适配体作为分子识别元件，而不论其类型，所述纳米线的直径优选小于50nm。
5.根据权利要求2的一种利用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中所述单壁碳纳米管的直径小于2nm，所述多壁碳纳米管的直径小于50nm。
6.根据权利要求1的一种利用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中将所述适配体固定在所述碳纳米管表面上的所述连接材料为芘。
7.根据权利要求1的一种利用适配体的碳纳米管晶体管生物传感器，其中所述固定用的连接材料的一疏水部分吸附于所述碳纳米管上，而所述连接材料的其他部分共价键合于所述适配体。
8.一种利用权利要求1所述的生物传感器检测靶材料的方法，包括：
(a)制造碳纳米管晶体管，其中将适配体固定在构成所述碳纳米管晶体管沟道区的碳纳米管上，以提供所述适配体结合于靶材料的结构；
(b)在特异性结合于所述适配体的所述靶材料暴露于所述适配体的情况下，测量碳纳米管导电率的变化；以及
(c)基于导电率的变化检测/鉴定所述靶材料。
9.根据权利要求8的检测靶材料的方法，其中所述靶材料为蛋白质，并且利用连接材料将所述适配体固定在碳纳米管表面上，该连接材料为芘。
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